CN110778532B - 用于涡轮发动机压气机的气隙翅片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有纵向轴线X的翼片级16，其被设计成安装在涡轮发动机压气机10中，包括从环形排定子翼片14的上游布置的环形排移动翼片12，其中环形排定子翼片14包括承载径向叶片18的径向内环形平台20，其(平台)的上游环形部分20c布置在所述叶片18的上游并且由上游排移动翼片12的环形平台26的下游环形部分26d径向向外包围，其中环形排定子翼片14的环形平台20的上游环形部分20c包括径向外部环形面，翅片50从该环形面延伸，该翅片50围绕纵向轴线X分布并且朝向环形排移动翼片12的平台26的下游环形部分26d径向向外延伸。

Description

用于涡轮发动机压气机的气隙翅片
技术领域
本发明涉及一种翼片级，其设计成安装在涡轮发动机的压气机中，特别是双流型的涡轮发动机的压气机中。
背景技术
传统上，压气机10包括环形排的移动翼片12和环形排的定子翼片14的轴向交替。因此，压气级16被限定为包括在上游的环形排的移动翼片12，接着是下游的环形排定子翼片14。每个环形排定子翼片14包括在径向内环形平台20和径向外环形平台22之间延伸的径向叶片18，并且每个环形排移动翼片12包括从径向内环形平台26径向向外延伸的多个叶片24。应当理解，每个环形平台可以由一系列基本平台形成，这些基本平台在端对端的圆周上并置。如在图1中可以清楚地看到的，环形壳体28在外面围绕环形排的定子翼片14和转子翼片12并且用于支撑环形排的定子翼片14的径向外部平台22。同样示出的是连接件，其连接上游环形排移动翼片12到位于环形排定子翼片14下游的下游移动环形排12。该连接件30带有环形唇缘32，环形唇缘32与由环形排定子翼片14的径向内部平台20的径向内表面36承载的耐磨材料制成的环34密封相互作用。
从图1中可以清楚地看出，当压缩空气流38从上游AM循环到下游AV时，初级空气的环形空气流40的一部分空气能够在环形排定子翼片的环形平台20下游端20b和下游环形排移动翼片12的环形平台26的下游端26b之间循环(图2)。该空气可在环形唇缘和耐磨环34之间循环并在上游环形排移动翼片12的平台26的下游端26b与环形排定子翼片14的上游端20a之间被重新引入环形空气流40中。
该空气再注入以特定速度和特定方向以一定流速进行。发现该流42是一种寄生空气流，其方向不受控制，发现其能够对稳定模式下的压气机10的性能和可操作性产生显着影响。
同样，重要的是在瞬时阶段期间适当地控制压气机10中的流动(例如加速之后减速并且随后再加速)，以便能够改善涡轮喷气发动机的加速/减速并因此改善其响应性。然而，似乎环形排定子翼片14径向内侧的寄生二次流42对瞬时阶段可操作性具有影响。实际上，旋转的空气具有与空气流40中的惯性度不同的惯性度，使得再注入的寄生空气然后在相对于定子翼片的取向方面不适应。这可能导致定子翼片14的内环形平台20处的空气分离，降低了压气机10的性能和可操作性。实际上，围绕纵向轴线X旋转的再注入空气(图2)具有高惯性和几乎完全切向的方向，可导致在叶片18的根部处流过定子14的叶片的空气分离，从而减小压气机10的泵送裕度。
实际上，当空气42从环形排定子翼片14的上游再注入时，压气机10的性能的劣化以两种主要方式表现出来：
-在径向截面中，在空气再注入区域44中，空气流40中的空气循环可以在叶片18的根部46处被阻塞。结果是在叶片18的径向尺寸上的空气流速分布不是那个预期。环形空气区域，其流速减小，即叶片18的根部46处的环形区域，一方面通过注入不具有正确入射的空气流速42导致定子翼片14的弱化，并且导致分离，另一方面，通过可以导致转子更靠近其泵送极限运转的静态压力的局部增加，导致环形排的移动翼片12的叶片弱化。
-环形排定子翼片14上游的再注入空气流42的速度矢量影响环形空气流40的主空气流38的取向，使得定子翼片18的定向不是最佳的，从而导致泵吸裕度减小。
虽然显然希望尽可能地限制空气再循环42，但经验表明寄生再循环42仍然存在。因此，在压气机10的设计中应考虑后者，从而尽可能少地影响压气机10的标称功能。
发明内容
本发明首先涉及围绕纵向轴线延伸的叶片级，其设计成安装在涡轮发动机压气机中，其中所述级包括环形排的移动翼片，布置在环形排定子翼片的上游。其中环形排定子翼片包括径向内环形平台，其承载径向叶片，其上游环形部分(平台)布置在所述叶片的上游，并且被上游排移动翼片的环形平台的下游环形部分径向向外包围，其中环形排定子翼片的环形平台的上游环形部分包括径向外部环形面，翅片从该环形面延伸，该翅片围绕纵向轴线分布并且朝向环形排移动翼片的平台的下游环形部分径向向外延伸。
因此，本发明提出在环形间隙中添加翅片，所述环形间隙界定在上游环形排移动翼片和下游环形排定子翼片的平台的两个环形部分之间，以便允许再注入到环形空气流中的空气的最佳引导。同样，翅片允许在定子翼片栅格处流入空气的最佳引导。
使用具有通过内弧面和外弧面连接在一起的前缘和后缘的轮廓的翅片使得可以控制从定子翼片格栅上游再注入的空气流速的周向取向，使得它正确地定向以避免干扰环形空气流中的空气流，并因此最佳地撞击环形排定子翼片的叶片的前缘。
由此提出的级配置改善了压气机的泵送裕度，特别是在连续的瞬时阶段(加速然后减速然后加速)期间。实际上，在减速开始时，空腔中的空气总是具有高惯性(因此是主要的切向分量)，而空气流中的空气流速较低。在这种情况下，出口叶根部的入射很高，增加了对分离现象的敏感性。因此，翅片用于限制出口导向装置根部的分离，从而改善压气机的泵送裕度。
根据另一个特征，每个翅片包括内弧面和外弧面，该外弧面以与定子翼片的叶片的内弧面和外弧面相同的方式沿周向定向。根据本发明，翅片因此被参数化，即，如翼片一样构造成三维，即具有弦定律，骨架定律和厚度定律。
对于环形排的翅片，从上游腔流出的空气的出口引导的功能是减小该区域中的空气动力学损失，使得引导更有效并且还对空气流中的流动具有更大的积极影响。空气流的环形排定子翼片，其对应于改善空气流动并因此改善输出的最终目的。
此外，纵向轴线与翅片前缘处的平均弧线的切线之间的角度β1在45°和90°之间，优选地在80°至90°的量级，优选地在85°的量级。
平均弧线是垂直于该相同线测量的位于外弧和内弧之间的中间点的连续点。由于旋转的再循环空气具有主要的切向分量，因此所标示的角度有利于翅片的流入空气的循环。
根据另一个特征，纵向轴线与翅片后缘处的平均弧线的切线之间的角度β2在纵向轴线与定子翼片排中的叶片的前缘处平均弧线的切线之间的前导角度的量级上。
相对于翅片的后缘的这种优先取向有助于在定子翼片级的入口处以正确的取向重新引入再循环空气，从而限制定子翼片的叶片的根部处的空气分离。
在压气机中，该角度β2在10°和75°之间，并且可以在55°的量级。
由S/C定义的相对间距，其中S是两个周向相邻的翅片的两个前缘之间的距离，并且C是翅片的弦，应该优选地被确定为不引起声波截止。
这将在0.3和0.9之间选择，使得翅片栅格中的空气流不会引起任何声波阻挡和相关的空气动力学损失。
在本发明的一个实际实施例中，上游环形部分的外部环形面是锥形的，其截面在下游方向上增加。
该外部环形面可以相对于纵向轴线倾斜α角度在0°和90°之间，优选地在10°和45°之间，并且更优选地在30°的量级。
根据另一个特征，上游环形部分的外部环形面是锥形的，其截面在下游方向上增加。
承载翅片的环形面的倾斜使得可以控制相对于纵向轴线(即涡轮发动机的轴线)和在重新注入的流量的径向平面中的角度定向。该倾斜的环形面还限制了在稳定和瞬时运转阶段中此时空气的重新引入。
本发明还涉及一种涡轮发动机压气机，其包括根据前述的至少一个级，其中下游环形排的移动翼片布置在所述环形排定子翼片的轴向下游，并且通过在环形排定子翼片内径向延伸的环形护罩和轴承唇缘，连接到环形排移动翼片上游，该轴承唇缘与环形排定子翼片的径向内环形平台承载的耐磨材料的环密封地相互作用。
同样，本发明还涉及一种涡轮发动机，其包括根据前述的压气机。
通过阅读通过非限制性实施例并参考附图给出的以下描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节，特征和优点将显现。
附图说明
-上面已经描述的图1是涡轮发动机的压气机的一部分的示意图。
-图2是根据本发明的压气机的一部分的示意图；
-图3是沿图2中的环形排定子翼片的纵向轴线的示意图；
-图4是根据本发明的翅片的示意俯视图；
-图5是根据本发明的配置中通过翅片的气流的示意图。
具体实施方式
在本申请中，除内部和外部之外，术语内和外将相对于纵向轴线X来解释。此外，术语上游和下游将相对于气流流动方向来解释。同样，术语环形表示围绕纵向轴线X成角度地延伸的部件，而这些部件不必由单件形成。因此，环形平台，即以环形延伸的平台，可以包括端对端布置的多个基本平台，而所述平台的端部不必是相互邻接的。然而，平台的整体形状是环形的。
图2示出了压气机10的级16，其具有纵向轴线X，其包括上游的环形排转子叶片12和下游的环形排定子翼片14。环形排定子翼片14安装在下游级16的环形排转子叶片12的上游。如图所示，移动翼片12的叶片24和定子翼片14的叶片18从径向内环形平台20,26径向向外延伸。环形排定子翼片14的内环形平台20包括布置在定子翼片18上游的上游环形部分20c和布置在所述定子翼片18下游的下游环形部分20d。同样，除了下游环形排转子叶片12的环形平台26之外，上游环形排转子叶片12的环形平台26各自包括分别从叶片24上游和下游布置的上游26c和下游26d环形部分。从图2中可以看出，注意到环形排定子翼片的环形平台20的上游环形部分20c径向排列在上游环形排移动翼片的环形平台26的下游环形部分26b。
同样地，注意到环形排的转子叶片12通过环形护罩30彼此连接，环形护罩30承载环形唇缘32，环形唇缘32通过摩擦与由耐磨材料制成的环34密封地相互作用，从而限制如前面结合现有技术的图1所述的下游到上游的空气循环。
如图2以及图3所示，环形定子平台20的上游环形部分20c特征是具有径向外环形面48，该环形面48相对于纵向轴线X倾斜地倾斜。更具体地，该径向外环形面48是锥形的，即具有旋转截头圆锥形的形状，具有沿下游方向增加的截面。外环面相对于纵轴的α角在5°和90°之间，优选在10°和45°之间，更优选在30°的数量级。
类似地，翅片50形成在定子平台20的上游环形部分20c上，这些翅片50围绕纵向轴线X规则地分布并且在上游移动平台26的下游环形部分26d的方向上径向向外延伸。。
在运转期间，寄生空气42在定子平台20的下游端20b和下游环形排移动翼片12的环形平台26下游端之间的环形间隙中循环并且循环通过具有唇缘32的密封装置，因此，以大于零的角度α流动，这使得可以控制相对于纵向轴线(即涡轮发动机的轴线)和在重新注入的流速的径向平面中的角度取向，并限制空气进入上游环形排移动翼片12的环形平台26的下游端26b与环形排定子翼片14的上游端20a之间的间隙。
同样地，如图4所示，每个翅片50具有内弧面52和外弧面54，通过前缘56和后缘58彼此连接。因此，这些叶片根据它们的弦线不具有对称的轮廓，它们的弦线由图4中的字母C表示。翅片的方向可以由相对于前缘的角度β1和相对于后缘的角度β2来定义。这些角度β1和β2在垂直于环形平台20的上游环形部分20c的外部环形面48上的法线N的平面P中确定，该平面P穿过翅片的前缘56(图2)。
根据所述平面P的给定定义，应理解后者平行于外环形面48的母面，在这种情况下该外环形面48是锥形的。清楚地理解，术语母面是参考面的一般几何定义使用的，但并不表示它如上所述在360°上是连续的。
当外环形面48凹入弯曲并且凹面径向向外转动时，将理解上述平面P的整体定义的全部值。
在上述平面p中测量，角度β1是在纵向轴线X与翅片50的前缘56处的平均弧线60的切线之间限定的角度β1，并且在45°和90°之间，优选地在大约80°至90°的数量级，优选85°数量级。这种角度选择使得可以使翅片的入射适应具有主要切向分量的再循环流。
同样在上述平面P中测量，角度β2是在纵向轴线X与翅片50的后缘58处的平均弧线的切线之间限定的角度β2，并且在纵向轴线X与定子翼片14排中的叶片18的前缘56处的平均弧线的切线之间的前夹角的量级。可以看出，前缘56的特定方向使得可以具有在定子翼片14的栅格方向上理想入射角定向翅片50栅格的出风气流。角度β2在10°和75°之间，优选地在55°的量级。
因此，本发明降低了定子翼片14的叶片18的根部46处的空气分离的风险，从而增加了压气机10的泵送裕度。再引入的空气也具有促进其流过定子翼片14栅格的定向。
从实际的观点来看，翅片50可以通过焊接到定子平台20上游的环形部分20c上来执行，或者可以与后者整块执行。
在实际的实施方式中，优选地确定由S/C限定的相对节距，以便不引起声波截止，在0.3和0.9之间，其中S是两个周向连续的翅片50的两个前缘56之间的圆周距离。C是翅片50的串。
在未在图中具体示出的实施方式中，由耐磨材料制成的环形轨道可以形成在环形排转子翼片10的上游环形平台26的下游环形部分26b的内部环形面上。因此，翅片的径向外端将适于与耐磨环建立接触。在难以保证定子翅片与径向相对的转子之间不存在接触的情况下，这种配置将证明是有意义的。

Claims (11)

1.一种翼片级(16)，其围绕纵向轴线(X)延伸，设计成安装在涡轮发动机压气机(10)中，其中，级包括从环形排定子翼片(14)的上游布置的环形排移动翼片(12)，其中环形排定子翼片(14)包括承载径向叶片(18)的径向内环形平台(20)，所述径向内环形平台(20)的上游环形部分(20c)布置在所述叶片(18)的上游，并且由上游排移动翼片(12)的环形平台(26)的下游环形部分(26d)径向向外包围，其中环形排定子翼片(14)的环形平台(20)的上游环形部分(20c)包括径向外部环形面(48)，翅片(50)从该环形面延伸，所述翅片(50)围绕纵向轴线(X)分布并且朝向环形排移动翼片(12)的平台(26)的下游环形部分(26d)径向向外延伸，其特征在于，每个翅片(50)包括内弧面(52)和外弧面(54)，其以与定子翼片(14)的叶片(18)的内弧面和外弧面相同的方式周向定向。
2.根据权利要求1所述的翼片级(16)，其中纵向轴线(X)与翅片(50)的前缘(56)处的平均弧线(60)的切线之间的角度β1在45°和90°之间。
3.根据权利要求1所述的翼片级，其中纵向轴线(X)与翅片(50)的后缘(58)处的平均弧线的切线之间的角度β2在10°和75°之间。
4.根据权利要求3所述的翼片级，其中角度β2是55°。
5.根据权利要求1的翼片级，其中上游环形部分(20c)的外部环形面(48)是锥形的，其截面在下游方向上递增。
6.根据权利要求5所述的翼片级(16)，其中所述环形面(48)相对于纵向轴线(X)倾斜的角度α在0°和90°之间。
7.根据权利要求6所述的翼片级(16)，其中所述环形面(48)相对于纵向轴线(X)倾斜的角度α在10°和45°之间。
8.根据权利要求6所述的翼片级(16)，其中所述环形面(48)相对于纵向轴线(X)倾斜的角度α是30°。
9.根据权利要求1所述的翼片级，其中由比率S/C限定的相对节距在0.3和0.9之间，其中S是两个周向相邻的翅片的两个前缘之间的距离，并且C是翅片的弦线。
10.一种涡轮发动机压气机(10)，其包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的级(16)，其中下游环形排移动翼片(12)布置在环形排定子翼片(14)的轴向下游，并且借助于环形护罩(30)，连接到环形排的移动翼片(12)的上游，所述环形护罩(30)在环形排定子翼片(14)内径向地延伸，并且承载唇缘(32)，所述唇缘(32)与由环形排定子翼片(14)的径向内环形平台(20)承载的耐磨材料的环(34)密封地相互作用。
11.一种涡轮发动机，其包括根据权利要求10所述的压气机(10)。
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